基因“钥匙”解锁植物根系形态转变 | 科技前线

中科院之声

2024-12-13 18:00发布于北京中科院之声官方账号

植物细胞分裂的方向对植物的生长有至关重要的作用。如果人们找到控制植物细胞分裂方向的“钥匙”，就可以根据需要决定植物的“高矮胖瘦”，重塑植物形态。这对于培养高产高效的作物以实现农业可持续发展具有重要意义。

中国科学院遗传与发育生物学研究所杨宝军团队和合作者揭示了植物根系形态的时空变化过程及背后的分子机制。

▲土壤中根系形态的时空变化机制及根系增粗策略

控制分裂方向的关键基因

植物和动物最大的区别是植物固着生长，在土壤中不能移动。因此植物三维结构的有效形成，就需要植物在细胞水平上对其细胞分裂方向进行精确控制。

控制植物生长发育的关键因子，常常存在基因功能冗余，或者突变致死的问题。想要寻找到植物控制细胞分裂方向的关键因子并不容易。

为解决这一难题，研究人员首先构建了一套植物细胞筛选体系，通过化学生物学手段筛选超过15000个化合物，成功找到了一个可以有效改变细胞分裂方向的化合物。利用该化合物，研究人员成功找到植物中控制细胞分裂活性和分裂方向的关键基因——SPL13。

▲根系中增加SPL13表达促进细胞分裂方向改变导致根系变粗

隐藏在土壤下面的奥秘

与地面上的植株一样，土壤中的根系也有明显的幼年状态和成年状态。根系会随着时间变得越来越粗壮。SPL基因就在这个变化过程中发挥了关键作用。

研究人员发现，通过遗传手段在植物根系提升SPL13基因的表达水平，会快速促进细胞分裂，并导致细胞分裂方向发生变化。横切的结果显示，根系细胞层数发生明显增加，使得圆柱状的根系变得更加粗壮。

在正常情况下，根系中SPL的表达逐渐增长，如果SPL基因缺失，植物根系就不能有效地实现从幼年到成年的形态转变，导致其根系形态持续保持在幼年期。研究人员发现这一过程在双子叶植物拟南芥和单子叶植物水稻中是保守的，表明SPL是土壤中植物根系相变的核心因子。

▲拟南芥根系随时间变化越来越粗

上述发现解释了植物根系是如何在土壤中随时间悄悄变化，并以此适应土壤环境的。相关成果发表于国际学术期刊《科学》杂志。

利用该现象和相关分子机制这把“钥匙”，人们可以实现根系改造和重塑，使植物根系变得更粗壮，为水分和养分高效利用的作物设计提供了关键遗传位点和全新技术路径。

来源：中国科学院遗传与发育生物学研究所

责任编辑：宋同舟

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